空气中激光支持爆轰波实验及理论分析

为了研究激光击穿空气产生的等离子体爆轰波形成机制和传播规律,利用高能量CO2激光器产生强激光,进行了空气中产生激光支持等离子体爆轰波实验。实验中:设置了诱导靶板,用于诱发和定位空气中的激光支持爆轰波;以激光器升压过程球隙放电产生的光信号作为触发源,触发高时间分辨率(纳秒级)的高速相机,记录了激光支持爆轰波的成长和传播全过程。分析了激光支持爆轰波的形成机理和传播规律。采用C-J爆轰理论,计算了激光支持爆轰波的压力和温度。研究结果表明:激光支持等离子体爆轰波形成初期,等离子体爆轰波发光体为球形;随着时间增加,等离子体爆轰波发光体的形状类似流星,且头部为等离子体前沿吸收层,亮度较高,而尾部等离子体温度较低,亮度较弱。等离子体爆轰波高速向激光源的方向移动,爆轰波速度高达18 km/s,温度约为107K。随着激光强度的减弱,爆轰波速度迅速按指数规律衰减,当爆轰波吸收的激光能量不能有效支持爆轰波传播时,爆轰波转变为冲击波。     

激光支持等离子体爆轰波温度的实验测量

 高能量激光聚焦空气产生等离子体,等离子体进一步吸收激光能量会形成激光支持等离子体爆轰波。等离子体爆轰波温度是表征爆轰波的一个重要参数,研究等离子体爆轰波温度对于深入了解激光支持等离子体爆轰波形成机理有重要意义。分析了激光聚焦空气形成等离子体爆轰波过程和影响等离子体爆轰波温度的主要因素。采用多通道瞬态光学高温计,测量了不同激光发射能量下空气中形成的激光支持等离子体爆轰波的辐射强度,获得了一系列等离子体爆轰波温度动态变化曲线。测量结果表明：等离子爆轰波温度在随时间演化过程中出现3个峰,最高温度在7 000～10 000 K范围内;激光能量与等离子体爆轰波温度没有明显的相关性。     

地下强爆炸辐射流体动力学过程的二维数值模拟

为评估强爆炸的毁伤效应,利用流固耦合界面处理方法,考虑辐射输运引起的能量沉积过程,建立同时求解辐射流体力学方程和流体弹塑性方程的二维耦合计算方法,给出地下强爆炸时,爆室内辐射波传播、辐射能量沉积到岩土表层、岩土表层膨胀、冲击波在岩土介质中传播、爆室内高压压缩爆室壁、爆室壁振荡增大的完整物理过程.     

空腔靶激光能量沉积的数值模拟

本文采用随机模拟方法和几何光学追踪方法。研究了不同条件下空腔靶中的激光传播光路:采用线性收缩假设,考虑了激光入射时注入孔的堵口问题 激光在等离子体中吸收的物理机制,包括了逆韧致吸收和共振吸收,还考虑了反向布里渊散射对吸收的影响。在此基础上,改变靶的不同尺寸,计算了不同激光入射条件下激光能量在腔内的沉积,并对一些计算结果进行了讨论     

激光靶耦合过程中的激光能量沉积方程

 激光聚变靶物理研究用激光强率I随空间的变化来反映激光能量的沉积。目前激光靶物理研究使用的激光能量沉积方程在临界面处发散,讨论了造成这一非物理结果的原因,给出了合理的激光强度方程,并讨论了新旧两种激光强度方程对激光吸收的影响。     

混合Krylov子空间算法及其应用

给出了一种适合二维三温辐射流体力学能量方程的大型稀疏线性代数方程组的混合迭代算法.计算结果显示,该算法解二维三温辐射流体力学能量方程的大型稀疏线性代数方程组比原有算法快4倍左右;原有算法不收敛时,该算法收敛;各物理量也符合得很好.     

Numerical Simulation of Explosive Dust Detonation with CE/SE Method

采用CE/SE方法数值模拟悬浮在空气中的RDX炸药粉尘的两相爆轰过程.炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,释放能量支持爆轰波传播.数值模拟爆轰波管中的粉尘爆轰,得到爆轰波流场中的物理量分布,确定爆轰参数,数值结果与文献符合较好.数值模拟复杂通道中的炸药粉尘爆轰,预测了爆轰波的发展和传播过程以及爆轰波后的流场演化.数值结果表明CE/SE方法能成功模拟气体-固体两相爆轰,为粉尘爆轰的研究提供了新的数值预测手段.     

CE/SE方法数值模拟炸药粉尘爆轰

采用CE/SE方法数值模拟悬浮在空气中的RDX炸药粉尘的两相爆轰过程.炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,释放能量支持爆轰波传播.数值模拟爆轰波管中的粉尘爆轰,得到爆轰波流场中的物理量分布,确定爆轰参数,数值结果与文献符合较好.数值模拟复杂通道中的炸药粉尘爆轰,预测了爆轰波的发展和传播过程以及爆轰波后的流场演化.数值结果表明CE/SE方法能成功模拟气体-固体两相爆轰,为粉尘爆轰的研究提供了新的数值预测手段.     

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从Lagrange观点出发,采用分裂格式法求解一维辐射流体力学方程组中的三温方程,用于紧凑等离子体环与靶碰撞产生的X射线辐射的数值模拟研究。提出了求解电子、离子、辐射场三温相脱离的能量方程的隐式差分格式,介绍了能量交换项与压力做功及热传导项分开计算的分裂格式方法,数值模拟得到了其对温度变化的影响。     

折射对泵浦激光在圆柱靶里的光路、吸收和烧蚀的影响

 用一维非平衡辐射流体力学和光路程序计算和分析了泵浦激光在圆柱靶里, 考虑有折射和无折射两种情况下泵浦激光的传播、吸收和靶烧蚀。计算表明,考虑激光折射的影响后,激光光路明显不同,靶烧蚀深度减小,激光能量吸收效率下降10%左右。     

ArF准分子激光系统的能量效率特性

为深入理解ArF准分子激光系统的运转机制,进而获得优化ArF准分子激光系统设计的理论及方向性指导,利用一维流体模型,以气体高压放电等离子体深紫外激光辐射过程为主要对象,研究了放电抽运ArF准分子激光系统的动力学特性,梳理了ArF准分子激光系统的能量传递过程,深入研究了等离子体放电机理,从能量沉积效率、ArF*粒子形成过程、激光输出三个方面,分析了动力学过程中影响能量效率的主要因素,提出了相应的改进优化措施.仿真结果表明,氟气及相关粒子在系统运转过程中有重要作用,工作气体中氟气的组分比例对能量效率影响较大,偏离最佳点会导致激光系统能量效率的下降.相关结论为ArF准分子激光系统的优化设计和稳定可靠运转提供了重要的理论参考依据.     

Regimes of laser plasma expansion at optical breakdown in the normal atmosphere

Propagation regimes of a plasma (fast ionization wave, laser-supported radiation wave, and laser-supported detonation wave) generated by laser radiation in a wide range of intensities (5 × 10⁸?10¹¹ W/cm² ) are described. The regimes were analyzed on the basis of the calculated dependence of the propagation velocity on the laser radiation intensity. The lower bound of the velocity was used for the fast ionization wave. Calculation results agree with experimental data and show that the plasma propagates as a fast ionization wave in the above range of intensities.     

基于准静态波的吸气式高重频脉冲激光推进性能数值研究

 根据高重频脉冲激光产生光学脉冲放电形成准静态波的原理,对自编的流体力学计算程序进行了验证,结果表明该程序可用于吸气式高重频脉冲激光推进性能的数值研究。分别计算了基于移动点火点和喷射气流两种模式下准静态波流场的冲量耦合系数,均高达600 N/MW,比传统的低频脉冲激光推进冲量耦合系数250 N/MW高。比较了两种模式的优缺点,给出了不同模式的适用情况,结果表明,对于机理研究来说,喷气模式更易于实现。     

高重频激光能量注入提高进气捕获率的数值研究

针对来流马赫数低于设计值时,吸气式冲压发动机进气道进气捕获率降低的问题,在唇口上游沉积高重频激光能量使气流偏折以提高进气捕获率。在马赫数为5.0、静压和静温分别为2 551.6 Pa和116.7 K的条件下,通过求解二维非定常可压缩RANS方程,数值研究了高重频激光能量注入提高进气捕获率的作用机制,通过在预想最优能量沉积点附近寻优的方法确定了最佳的能量注入点,结果表明:在该位置沉积频率100 kHz、平均功率500 W的激光能量形成的虚拟唇口可以使来流捕获率由63%提高至97%。结果证明了高重频激光能量注入提高进气捕获率的潜在应用价值,并为能量注入位置的优化选择提供了方法。     

Initiation of combustion of a methane-air mixture in a supersonic flow behind a shock wave during laser excitation of O<Subscript>2</Subscript> molecules

The possibility of initiating detonation of CH₄ + air in a supersonic flow behind an oblique shock wave under the exposure of the mixture to laser radiation with wavelengths λ_I=1.268 μm and 762 nm is analyzed. It is shown that this irradiation leads to excitation of O₂ molecules to the a ¹Δ_g and b ¹Σ _g ⁺ states, which intensifies the chain mechanism of combustion of CH₄/O₂ (air) mixtures. Even for a small value of the laser radiation energy absorbed by an O₂ molecule (∼0.05–0.1 eV), detonation mode of combustion in a poorly inflammable mixture such as CH₄/air can be realized at a distance of only 1 m from the primary shock wave front for relatively small values of temperature (∼1100 K) behind the front under atmospheric pressure.     

激光在等离子体中的坍塌行径

 从椭圆偏振激光场波包所满足的非线性控制方程出发,利用场论方法,构造该非线性方程的拉格朗日密度函数,得到激光场波包的能量集中具有准粒子特性,并给出守恒的粒子数、动量和能量。讨论了调制不稳定发展后期的波包坍塌动力学问题,利用归一化的粒子数密度分布作为权重,分析了激光场的波包。结果表明,激光场波包的尺度在有限的时间进程中,将塌缩到一个很小的值,证明了激光场具有塌缩行径。     

电子束在材料中的能量沉积和热激波特性

采用解析法、矩方法和Monte Carlo法等方法,计算了电子束在硬铝靶材中的能量沉积.计算表明,3个结果基本符合.根据得出的能量沉积结果和一维应变弹塑性流体动力学模型,计算了电子束热激波在硬铝靶材中的传播,并将其应力峰值的计算值与实测值进行了比较.     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.